美国中小学工程教育改革的进展与启示

邹 逸, 金丽珍

(1.浙江师范大学 教育学院,浙江 金华 321004;2.浙江师范大学 心理学博士后流动站,浙江 金华 321004)

随着时代和社会的进步,当今的科技发展更加表现出跨学科融合的特征,综合性的工程类人才在社会建设、经济增长及国力强盛中的重要性日益凸显.在此背景下,世界范围内的工程教育呈现出鲜明的学段前移倾向,各国愈发重视中小学工程教育事业,将其作为培养后备工程人才的基础性支撑.正如美国的萨莉·莱德(Sally Ride)所言,“当今社会正处于一个依赖工程技术的时代,公民的工程素养水平决定着国家的兴衰盛亡.因此,我们需要从中小学就开始培养工程师.”[1]中国发布的《中国STEM教育白皮书》中也明确指出要加强中小学工程教育,让中国在未来能够持续涌现更多具有跨学科综合创新能力的高素质人才[2].然而,中小学工程教育在中国是一项崭新的课题,目前尚处于探索阶段,且突出表现为以下几个问题：1)学科定位不明确,将工程教育作为一门新的学科来建设,还是作为已有学科教育改革的一种手段,尚未有清晰的定论;2)工程教育实践呈现零散性,基于不同理解视角的小范围教育教学模式层出不穷,但其品质与成效存疑;3)工程教育所需的专业师资、质量监控机制、设施资源等方面的保障措施亟待建设与完善[3].概言之,我国中小学工程教育的基本理念、学科定位、实践框架、保障措施等关键问题亟需进一步系统化推进.美国是进行中小学工程教育改革的先行国家之一,目前已建设形成较为成熟的中小学工程教育体系.本文从美国推进中小学工程教育改革的历史脉络切入,梳理其在基本理念与学科定位方面的发展嬗变,进而聚焦探讨当前美国中小学工程教育的实践框架与保障措施,以期为我国方兴未艾的中小学工程教育改革带来一定的经验与启示.

1 走向深度的跨学科统整：美国中小学工程教育改革的基本理念变迁

1.1 重振科技竞争力：STEM教育运动的兴起

自苏联成功发射第一颗人造卫星以来,美国就充分认识到提升中小学科技教育的质量对于重振国家科技竞争力的重要性.1983年,美国高质量教育委员会(The National Commission on Excellence in Education,NCEE)发布《国家处于危机之中：教育改革势在必行》(A Nation at Risk：the Imperative of Education Reform)报告,提出将坚定推行中小学科技教育改革[4].1986年,美国国家科学委员会(National Science Board,NSB)发布《尼尔报告》(Neal Panels Report),首次明确提出在K-12阶段加强“科学、技术、工程、数学”(Science,Technology,Engineering,Mathematics,STEM)融合教育,培养学生的综合科技素养,以基础性赋能与战略性支撑美国科技事业的高质量发展[5].以此为标志,美国开始了全国范围、全教育阶段的STEM教育运动,原本主要在高等教育阶段开展的工程教育也随之成为美国中小学教育领域的热点议题.

在美国随后颁布的一系列推动中小学STEM教育改革的政策法案中,都对工程教育赋予重要地位.如美国联邦教育部(United States Department of Education,ED)在1991年颁布《美国2000年教育战略》(America 2000：an Education Strategy)法案,其中明确强调了“中小学工程教育是保障美国工程领域的卓越与领先,进而带来巨大经济和社会效益的基础.”[6]美国国家科学基金会(National Science Foundation,NSF)在1996年发布的《塑造未来：STEM教育的新期望》(Shaping the Future：New Expectations for Undergraduate Education in Science,Mathematics,Engineering,and Technology)报告中也明确提出“应使美国的学校具备最好的工程学习环境,以培养全世界最好、最有潜质的工程师.”[7]

1.2 显现的迷局：“E”的沉默

然而,在美国推进中小学STEM教育改革的具体过程中,工程教育却因在中小学缺乏学科设置传统而一度遭遇了“与S,T,M均有联系,却无专门建设”的尴尬.换言之,工程教育仅仅作为部分内容载体或活动形式而零散地出现在科学、技术、数学教育的相关课程与教学之中,却并没有像此三者那样既有专门的学科设置,又有专门研制的教育标准用于规范相应的课程建设与教学实施.

美国国家科学研究委员会(National Research Council,NRC)对当时美国中小学STEM教育开展情况的调研报告中指出,“工程教育通过科学、技术、数学课程缓慢进入美国K-12年级的课堂,但由于缺失了专业的教育标准的引领,决策者和教师对它的关注和实践实在还是太少了,STEM中的‘E’基本上是消失不见的.”[8]不少学者对此也指出,“尽管工程教育和科学、技术、数学教育存在着紧密联系,但如何理解与运用这种紧密联系从而高质量开展工程教育需要进行深入的研究和专门的设计.显然,当前这样浅显地附着于其他课程的实践方式会淡化工程领域的特质,阻碍学生发展新时代所需的工程素养.”[9]

1.3 破局之路：深度的跨学科统整

“E”的沉默引起了美国各界的广泛关注.2006年,美国成立了K-12工程教育委员会(Committee on K-12 Engineering Education,CEE)作为美国中小学工程教育的主要领导机构.在充分进行本土调研与国际借鉴的基础上,该委员会于2009年发布了《K-12教育中的工程：现状和未来》(Engineering in K-12 Education：Understanding the Status and Improving the Prospects)报告,就有效开展和实施中小学工程教育提出了具体的政策建议与实践原则,其核心要义是凸显工程教育的跨学科特性[10].

此外,美国还在2008年成立了K-12工程教育标准委员会(Committee on Standards for K-12 Engineering Education,CSEE),其主要任务本是评估在中小学专门设置工程学科的可行性,以及开发专门的中小学工程教育标准.然而,经过2年的研究,该委员会于2010年发布《K-12工程教育标准?》(Standards for K-12 Engineering Education?)报告,否定了设置专门的工程学科及编制专门的工程教育标准的构念,其原因主要有以下3条：1)致力于工程学科专门设置的中小学教师数量偏少,改革所需的群聚效应缺失;2)美国各州尚未建立学生工程学习的评价要求,改革所需的动力机制缺失;3)专门的工程学科设置与工程教育标准编制对改变课程内容和教学方式的效果尚未得到研究与证实,改革所需的科学依据缺失[11].更为关键的是,该报告指出,“工程教育明显与科学、技术、数学教育有着天然联系,或许是因为目前对工程教育与其他学科联系的认识与实践还不够充分,而这正应该是美国中小学工程教育改革更值得尝试的方向.事实上,实现深度的跨学科统整也是推行中小学STEM教育的初衷.”[11]

自此,探索工程教育与其他学科的深度统整范式,成为美国中小学工程教育改革的新动向.美国于2011年颁布的《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念、学科核心概念》(A Framework for K-12 Science Education：Practices,Crosscutting Concepts,and Core Ideas),以及于2013年颁布的《新一代科学教育标准》(The Next Generation Science Standards),前所未有地将工程教育纳入其中,并充分彰显出促成科学与工程的深层次跨学科统整的趋向特征.2014年,美国国家工程院(National Academy of Engineering,NAE)和国家研究委员会(National Research Council,NRC)联合出版《K-12 STEM教育统整：现状、未来及研究议程》(STEM Integration in K-12 Education：Status,Prospects,and an Agenda for Research),更指明了完整实现STEM教育深度统整的目标,也再次强调了工程教育跨学科的重要性[12].

2 美国中小学工程教育的实践框架

随着工程教育逐步纳入美国国家及各州科学、技术、数学的教育标准,指向跨学科深度统整的工程教育实践框架也随之逐步确立.本文以工程教育与科学教育的跨学科深度统整为例,从教育目标、教育内容、教育过程、教育评价4个维度对当前美国中小学所普遍采用的工程教育实践框架展开具体探讨.

2.1 围绕基础工程素养确定教育目标

长期以来,美国的工程教育在高等教育阶段实施,以提升学生在真实的或仿现实的工程任务中的胜任力为目标,培养满足企业或社会需要的工程职业人才.而美国对中小学工程教育的定位则是为高等工程教育奠基,以夯实全学段工程教育体系的底部架构.因此,美国中小学工程教育更加重视对学生工程基本认识、工程思维习惯、工程职业兴趣等基础工程素养的培育.正如美国《新一代科学教育标准》中所指出的,“中小学科学与工程教育应让学生通过了解科学家和工程师的工作,认识科学和工程之间的联系与区别,并能从单一学科和跨学科的角度,更深层次地理解科学和工程领域的知识方法与思维观念,激发学生的好奇心与探索欲,从而吸引、鼓励学生在该领域继续学习.”[13]

可见,美国中小学工程教育的基本目标即是要引导学生接触与涉入科学研究和工程实践,贯通学生学习工程领域知识与其他学科领域知识的整合性通道,培养学生对工程领域的跨学科视野与思维方式,增强学生应对工程领域多学科间复杂问题的信心与兴趣,从而促成学生对工程领域的持续探索及对工程职业的向往.从中也可以看出,工程教育与科学教育(或其他学科)的跨学科深度统整,可以使二者的基本旨趣得到很好的耦合,这不仅有利于实现工程教育和科学教育各自的目标,而且其实现过程也是彼此协同、相互支持的.

2.2 基于真实情境问题组织教育内容

科学家和工程师对现实的科学研究和工程实践,通常源自解决真实情境问题的需要.例如,为解决鉴别皇冠的真伪问题,阿基米德(Archimedes)发现并提出了阿基米德原理,推动了人类社会对浮力现象的认识;为解决跨河通行问题,柯西(Cauchy)等创立形成了弹性力学理论,改进了人类社会的造船、造桥等工程技术;为解决模拟、延伸和拓展人类智能问题,OpenAI实验室研发了ChatGPT机器人程序,展示了人类社会的跨学科实践新进展.因此,现实社会生活中的真实情境问题,是帮助学生了解科学家和工程师的工作,并从中发展基础工程素养的最佳“土壤”.

与之相应,美国在《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念、学科核心概念》中指出,“面向真实情境问题,可以让学生更有机会像科学家和工程师那样展开实践、探索和运用学科核心概念,并通过跨学科共通概念在各个领域的学科内容之间建立联系.”[8]据此,美国的中小学工程教育在内容组织上形成了基于真实情境问题的“学科核心概念”“跨学科概念”“科学与工程实践”的三维整合架构.换言之,就是从现实社会生活出发,析出其中所蕴含的真实情境问题,进而通过科学与工程实践尝试解决问题,而解决问题过程中所涉及的相关学科核心概念、跨学科概念即成为需要学生理解、掌握和运用的内容指向.学者威尔第(Welty)则用如图1所示的“捆绑连接”模型形象地表征出上述工程教育内容的组织方式[14].

图1 美国中小学工程教育内容组织的“捆绑连接”模型

2.3 以调查和设计为中心开展教育过程

基于真实情境问题解决的科学与工程实践不仅是组织相关教育内容的载体,也是开展具体教育过程的路径.美国在《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念、学科核心概念》中明确强调“学生必须亲身参与科学与工程实践,而非仅仅是间接了解.没有亲身经历这些实践,学生就不可能彻底理解科学与工程的本质”,并确定了以下8项适合在教育过程中开展的具体科学与工程实践：提出问题和定义问题;开发和使用模型;计划和开展调查;分析和解读数据;使用数学和计算思维;建构解释和设计解决方案;参与基于证据的论证;获取、评价和交流信息[8].

2019年,美国国家科学院、工程院和医学院(National Academy of Sciences,National Academy of Engineering,National Academy of Medicine,NASEM)联合发布《6—12年级的科学与工程：以调查和设计为中心》(Science and Engineering for Grades 6—12：Investigation and Design at the Center)报告,指出美国中小学在开展科学与工程实践时再次出现了在推崇“科学探究”时期就曾出现过的固化流程迹象,即将上述8项实践窄化为教育过程所应遵循的8个固定环节并按部就班地进行推进.对此,该报告特别申明了教育过程中的科学与工程实践是一个灵活融合的整体,它应表现出“以调查和设计为中心”的典型特征,但并不意味着将教育过程机械地线性化为某些特定流程或形式[15].换言之,师生应该对具体的科学与工程实践活动有所规划与安排,但更需要充分调动自身的实践智慧,根据教育过程的实际生成顺势而谋与顺势而行.由此,相应的教育过程才能真正符合科学与工程实践的实际过程——既有方略性框架(以调查和设计为中心),又有对生成性境况的包容与应对[15].

2.4 增值发展导向下实施表现性评价

增值发展导向一直是近年来美国教育评价改革的基本遵循,即以学生学业成就的进步程度(增值)为评价依据,并以促进学生学业成就的进一步提升(发展)为评价目的.在美国中小学科学与工程教育的评价方面,这种增值发展导向也得到了充分的渗透.例如,《新一代科学教育标准》对学生在科学与工程实践中的预期表现进行了严谨、贯通的年级进阶式描述,并结合具体案例介绍了口语报告、产品创作、电子档案袋等评价方法,从而为“评什么”与“如何评”作出了规范性与操作性指引[13].

《6—12年级的科学与工程：以调查和设计为中心》报告则进一步指出,对学生的科学与工程实践表现的评价应嵌入到整个教育序列中,既可以是对学生在正式任务中表现的评价,也可以是对学生在日常互动中表现的评价,而评价的关键在于透过学生的具体表现从知识技能、思维观念、态度责任等层面捕捉学生科学与工程素养的实质变化,并通过链接预期表现、澄清差距问题、提供改进支架的三维支持策略帮助学生清楚了解什么样的表现是优秀卓越的,什么样的表现是仍需提高的,又该如何改进自己的表现[15].换句话说,增值发展导向下的表现性评价就是要持续地促成学生判断与明确自己在工程学习中“应该去哪里”“现在在哪里”及“该如何去”,并持续地促成学生作出相应的进步性行动.

3 美国推动中小学工程教育改革落地的措施

为持续且高质量地推进中小学工程教育改革,美国各界采取了一系列保障措施予以支持.

3.1 上下联动强化跨学科深度统整的基本理念

理念是行动的向导,跨学科的深度统整作为美国中小学工程教育改革的新理念,需要相关主体建立理解与认同,才能在此基础上做出自上而下适当的工程教育行动.对此,美国采取了“上下协同”的策略进路.

首先,从政策法案层面大力推行跨学科深度统整的中小学工程教育改革.如在前述已提及的一系列国家官方层面的政策报告中,持续性地强调与描绘了达成跨学科深度统整的工程教育愿景蓝图,使得跨学科深度统整逐渐成为工程教育改革相关主体的核心问题.诚如曼迪纳赫(Mandinach)所言,“政策法案的引领与驱动,就像是一个外部敲打的‘锤子’,持续激发着相关主体开展教育改革探索的内在需求.”[16]

其次,美国从已有的科学、技术、数学教育实践框架出发,从目标、内容、过程、评价等维度系统研究与重新厘定了其与工程教育跨学科深度统整的教育实践新样态,为相关主体更新与拓展自身原有的学科教育认知结构、构建关于工程教育的新型理解视域与实践模式提供“脚手架”.

概言之,美国通过自上的政策法案驱动与向下的教育认知结构与行为倾向重塑入手,力求使跨学科深度统整成为工程教育相关主体新的基本理念与实践范式.

3.2 多通道教育贯通提升教师的工程教育专业能力

教师的工程教育专业能力,是保障中小学工程教育品质与成效的关键.对此, 美国于2014年制定颁布了《工程教师准备和专业发展标准》(Standards for Preparation and Professional Development for Teachers of Engineering),对中小学教师所具备的工程教育专业能力作出明确要求,“教师需要熟悉工程职业;需要理解工程教育的跨学科特性;需要精通以问题解决与工程设计为主线的教学实践性知识.”[17]

与此同时,美国开展了一系列教师工程教育专业能力提升项目.例如,科罗拉多博尔德大学(University of Colorado Boulder)工程学院和教育学院联合实施的“工程+”(Engineering Plus)项目按照“诊断主体需求→匹配专业导师→设计提升方案→开展嵌入式指导”的路径对在职中小学教师的工程教育专业能力进行培育[18].再如,新泽西大学(College of New Jersey)的工程学院和教育学院联合开发创建了10余门面向师范生(包括本科阶段与研究生阶段)的工程教育相关必修课与选修课,主要包括《工程职业概论》《工程学基础》《工程设计》《教学中的工程实践》等,以保证师范生正式走上教师岗位时具备出色的工程教育专业能力[14].概括来说,美国在提升教师的工程教育专业能力方面出台了专业标准作为规范性指引,同时力求涵盖职前培养与职后发展2个阶段.

3.3 匹配性质量评估方案监控工程教育实施

为保证中小学工程教育的成效,美国还开发实施了对应性的质量评估方案.2013年,美国国家评估管理委员会(National Assessment Governing Board,NAGB)和美国教育部(United States Department of Education,ED)联合发布《NAEP2014技术与工程素养框架》(Technology and engineering literacy framework for the 2014 national assessment of educational progress),将学生工程素养的评估维度划分为“理解工程的原理”“进行工程设计以解决问题”“沟通与合作”3个相互融通的领域.其中,“理解工程的原理”指的是学生对工程相关知识、技能、工具、方法的本体性理解;“进行工程设计以解决问题”关注于学生确认真实情境中的各种问题,通过系统性应用工程相关知识、技能、工具、方法而进行工程设计,以达成问题的解决;“沟通与合作”则聚焦于学生在进行工程设计解决问题过程中与同伴之间的相互呈现、分享、争论、协同等情况[19].在此基础上,《NAEP2014技术与工程素养框架》对上述3个领域建立了层级分明、描述清晰的评估指标,并建议采用真实情境任务的方式对学生的工程素养进行测评.

2014年,美国国家教育进展评估机构(National Assessment of Educational Process,NAEP)组织了面向全美8年级学生的首次工程素养样本评估,并根据评估结果深入分析了中小学工程教育改革的实施现状、尚存问题及优化对策.此后,工程素养样本评估的对象逐步扩大至4—12年级学生,该评估现已成为美国中小学工程教育改革常态化的质量监测机制[20].

3.4 多方协同共建工程教育的课程资源

课程资源建设是美国中小学工程教育改革中非常重视的一项基础性工作.“项目引路”机构(Project Lead to the Way,PLTW)是目前美国最大的中小学STEM课程提供者,其开发的课程以国家科学、技术、数学教育标准为参照,鼓励学生参与基于活动的、基于项目的和基于问题解决的学习.“项目引路”机构已建设形成了面向3—12年级学生的工程系列课程,包括工程设计介绍、工程的原理、航天工程学、民用工程和建筑、整合计算机技术的制造、计算机科学的原理、数字电子、环境的可持续性、工程设计与发展9个课程单元(工程系列课程的单元设置及具体内容指向如表1所示)[21].

各个课程单元根据学生的进阶发展规律组织相应的课程内容而设置于各个学段,旨在使学生逐步走进工程师的世界,逐步在问题解决中拥有与工程师相仿的思维习惯与实践模式.目前,上述工程系列课程已广泛被美国各州的9 000多所中小学校引进与实施,参与这些课程的中小学生数量超过2 400 000名,教师数量超过35 000名.与此同时,项目引路机构已与100多所高等院校及多家技术、航空、能源、自动化、健康等方面的世界领先企业达成合作关系,形成了课程建设的多元协同机制,不断更新与丰富着美国中小学工程教育的课程资源[22].

4 对我国中小学工程教育改革的启示

对我国而言,中小学工程教育同样是“夯实后备人才基座、保障国家科技竞争力”的重要奠基性事业.2018年,中国教育科学研究院发布并启动《中国STEM教育2029创新行动计划》,中小学工程教育改革作为其中的重要议题之一,正式进入实施推进阶段.对此,在结合我国本土实情的基础上,扬弃性地学习与借鉴美国的已有经验,能为我国的中小学工程教育改革带来一定的启示.

4.1 清晰阐明中小学工程教育的基本理念

中小学工程教育的学科定位是相应改革行动的先导.与美国的情况类似,我国的中小学同样没有工程学科的设置传统,因而目前同样面临着工程教育的学科定位问题.对此,美国的经验启示我们亟须清晰阐明中小学工程教育的基本理念,以避免在专门设置工程学科还是融入科学、技术、数学等相关学科之间摇摆不定,从而造成中小学工程教育出现碎片化、浅层化与低效化等问题.具体而言,可以当前时代与社会语境下的工程人才培养为宗旨,以提升中小学生的基础工程素养为目标,以实现跨学科深度统整为关键,厘清工程教育与科学、技术、数学等学科领域的内涵、区别与关系逻辑,描绘我国中小学工程教育改革的愿景蓝图.进而通过全面深入的现状研判找准与愿景蓝图之间的落差与进路,以此作为各相关主体开展各具体工作的基本遵循.换言之,无论是专门设置工程学科,抑或是融入相关学科,中小学工程教育改革都应首先明确相应的理念方向,并循此系统化、精准化推进.

表1 “项目引路”机构开发的工程系列课程

4.2 系统构建中小学工程教育的实践框架

中小学工程教育的实践框架是转化与落实其价值理念的基本路径.我国传统应试取向的中小学学科教育实践机制根深蒂固,并不符合当下工程教育实践的内在诉求,因而有必要进行实践框架上的系统性变革,以真正创建有利于学生工程素养发展所需的实践方式与路径.在明确跨学科深度统整的基本理念后,美国以工程及科学、技术、数学等其他学科实践的主体特征、情境特征、过程特征、结果特征等为依据,从科学、技术、数学等学科的官方教育标准切入,从教育目标、教育内容、教育过程、教育评价等维度,系统构建了中小学工程教育的一体化实践框架.与美国K-12阶段的各学科教育标准相似,我国的义务教育课程方案与各学科课程标准规定了我国中小学各学科教育的目标、内容和实施要求,是决定我国中小学各学科教育实践范式的纲领性文件.因此,我国也有必要将工程教育纳入义务教育课程方案与标准体系之中,对工程教育的各实践要素进行系统的界定与描述,使之成为我国中小学工程教育各相关主体的实践指南,进而逐步发展形成适合于我国的中小学工程教育新型实践范式.

4.3 全面完善中小学工程教育的保障措施

中小学工程教育改革是关涉多层面、多主体、多要素的问题域研究工程,因而其品质与成效也需要全方位的保障措施予以支持.我国当前的中小学工程教育在理念渗透、师资建设、质量监测、课程开发等方面均存在明显的缺失或不足,难以支撑中小学工程教育的高质量发展.在这些方面,美国通过政策法案的驱动与学科教育结构的重塑以强化跨学科深度统整的中小学工程教育基本理念,通过官方教师专业发展标准的引领与职前职后教师专业培育项目的落实以提升中小学教师的工程教育专业能力,通过学生工程素养评估方案的设计与执行以监测与调控中小学工程教育的实施质量,通过中小学校、高等院校、社会机构等多元主体协同建设以丰富中小学工程教育的课程资源.这启示我国在推进中小学工程教育改革时,不仅应注重基本理念的确立与实践框架的构建,而且要注重建设基本理念转化与实践框架落实过程中所需的现实条件,从政策制度、师资建设、监控机制、设施资源等方面整体性、针对性完善中小学工程教育的保障支持体系,以此推动我国中小学工程教育事业的高质量发展.